基于解析法的垃圾填埋場地下水環境影響評價

許真,張明山,張雄,王紅娜

(1.四川省天晟源環保股份有限公司,四川 成都 610722;2.成都酉辰綠藍環保科技有限公司,四川 成都 610722)

近年來,我國社會經濟的高速發展,伴隨而來的有地下水環境的壓力,同時也導致地下水污染問題。且與地表水相比,地下水環境污染問題有很強的隱蔽性,一般紅層地區地下水運移速度比較緩慢,一旦受污染,地下水的治理、恢復的難度都將極大[1]。

垃圾填埋場由于長期堆積,可能導致前期防滲措施存在破損,另外垃圾滲濾液處理設施如若不全面,滲濾液隨地下徑流進入周圍地下水體,會對周邊的地下水環境污染。此外垃圾填埋場形成的滲濾液成分復雜,一般情況下其氨氮、化學需氧量濃度較高,對區域地下水環境的影響非常大[2]。

本次研究對象為紅層地區某歷史生活垃圾填埋場,在充分研究其水文地質條件的基礎上,運用解析法模型預測地下水環境狀況。在設定的事故工況下,對垃圾填埋場滲濾液收集池進行污染物溶質運移的解析解模擬,研究污染物在地下水環境中的遷移轉化規律。

1 研究區概況

1.1 垃圾填埋場基本情況

本次研究垃圾填埋場于1996年開始建成投用,2010年停用并封場,研究垃圾填埋場占地30畝,庫容約30萬m3,堆存垃圾量約40萬t。本次調查的紅層區生活垃圾填埋場屬于非標準垃圾填埋場,根據現場調查可知本次垃圾填埋場底部防滲不到位、其滲濾液收集后未規范化處理。

1.2 地質環境背景條件

1.2.1 地層巖性

研究區內出露的地層為侏羅系蓬萊鎮組(J3p)、白堊系下統蒼溪組(K1c)、白龍組(K1b)、七曲寺組(K1q)和第四系殘坡積物、崩坡積物(Q4dl+e1)[3]。

現由老到新簡述如下:

1)侏羅系蓬萊鎮組(J3p):為紫色的泥巖、粉砂巖夾淺灰色的頁巖,由泥巖、砂巖形成韻律層。該組底部是塊狀的厚層石英砂巖。該組下部是紅色的長石砂巖,部分層位夾有透鏡體。

2)白堊系下統蒼溪組(K1c):青灰色塊狀中細粒長石石英砂巖夾磚紅色泥巖、粉砂質泥巖,砂巖占比為30%～40%,局部層位還存在鈣質膠結,單層厚度一般在12～38 m,自上而下砂巖層的厚度呈現由薄變厚的規律,其厚度一般大于280 m。

3)白堊系下統白龍組(K1b):青灰色厚層細粒長石石英砂巖與磚紅色泥巖互層。該組下部的砂巖層厚較厚。

4)白堊系下統七曲寺組(K1q):紫色泥巖、砂質泥巖夾磚紅色厚層狀細粒巖屑砂巖,該組底部是青灰色塊狀的長石石英砂巖,出露厚度大于100 m。

5)第四系殘坡積層(Q4el+dl):以黃褐色粘土為主,夾大量頁巖、砂巖碎屑及碎塊,厚0～1.0 m。主要分布于山麓平緩斜坡、凹地及溝谷地帶。

1.2.2 地質構造

研究區域位于四川盆地東北邊緣,地處東經105°43′～106°28′,北緯31°37′～32°10′。研究區內無斷裂構造,以北東或北東東向的寬緩褶皺為主,主要有:新場向斜、新觀背斜、蒼溪向斜。從區域角度分析,并用蒼溪向斜作為邊界,其西北為川西褶皺帶,其東南為川中褶皺帶。區域內褶皺平緩,北部以傾向南東的單斜形態為構造特征,巖層傾角自北而南逐漸減緩[4],由6°～11°漸變過渡為2°～4°。本次垃圾填埋場所在地處在蒼溪向斜南璇,區域構造秘定性良好。

1.2.3 地貌特征

研究區地處嘉陵江左岸、嚴家河溝左岸,總體地勢東南側高西北側低,場地內最高點位于垃圾場外側山脊,海拔標高400 m,最低點位于垃圾場外西北側溝谷,海拔標高330 m,相對高差約70 m,地形坡度一般5°～30°,局部較陡。

1.3 水文地質條件

1.3.1 地下水類型

研究區地下水按賦存空間、埋藏條件可劃分第四系松散巖類孔隙潛水,侏羅系、白堊系碎屑巖類裂隙水兩類[3]。

第四系松散巖類孔隙潛水埋藏淺,一般0.6～3.4 m,水量中等,主要賦存于河流兩側的階地中,單井涌水量100～500 m3/d。主要接受大氣降水補給,除洪水期外,地下水一般補給河水。主要以民井或泉的形式排泄。徑流途徑短,具有就近補給和就近排泄的特點。

研究區大部分地區構造微弱,侏羅系、白堊系碎屑巖類巖層緩傾,角度在3°～7°,在長期的地質作用中形成了較為穩定的風化帶,風化帶內較發育的裂隙系統為地下水提供了儲集空間,而下部未風化的巖體又起到了相對隔水的作用,地下水賦存條件較好。風化帶含水層底界深度一般在20～25 m,風化帶以下含水性微弱。侏羅系、白堊系碎屑巖類裂隙水主要分布在研究區東部、東南部區域,巖層裂隙發育一般,透水性差,出水量一般<50 m3/d,富水性弱。

1.3.2 含水巖組

1)第四系松散巖類孔隙含水巖組。在研究區內主要分布在區域西北部坳溝處,呈零星分布態,富水性較貧乏,含水層厚度較薄,厚度一般在2.4～8.9 m,主要巖性為粉土、粉質粘土,結構密實,透水性弱,富水性弱,含水貧乏,滲透系數K一般為0.15 m/d,單井涌水量10～20 m3/d。含水層厚度和粒度的變化控制其富水性。

2)紅層裂隙含水巖組。該巖組研究區內廣泛出露,局部分布于第四系地層之下,主要巖性為紅色、暗紫紅色泥質砂巖、砂質泥巖,水量貧乏的(小于100 m3/d),滲透系數K為0.017 m/d,水位埋深7.3～23.8 m。泥巖柔性大塑性強,構造裂隙常不發育,由于其抗風化能力弱,具失水開裂特征,利于形成淺表風化裂隙,雖然裂隙微細短小,但互相穿插切割形成密集網狀裂隙帶,構成風化裂隙含水層。含水層的厚度與風化帶發育深度有關,而風化帶的發育深度又與地層巖性、地質構造、地形地貌等因素有關。溝谷區因上部覆蓋有殘坡積、洪積物,風化帶保存較好,厚度較大;而谷坡區易被侵蝕,風化帶則較薄。

1.3.3 地下水補徑排條件

研究區內地下水主要補給來源有為大氣降水入滲,大氣降水的降水方式、強度及年內、年際變化對地下水補給量具有重大影響。地下水補給與地形地貌密切相關。研究區地形起伏較大,大氣降水部分形成地表徑流匯入嚴家溝河中,另一部分入滲補給地下水。

第四系松散巖類孔隙水:主要分布在研究區西北部,呈窄條狀分布,地表多為粉質粘土、碎石土,垂向滲透性一般,主要接受大氣降水及田水補給,以隱滲形式排泄地表。

紅層碎屑巖類裂隙孔隙水:分布于研究區東部及東南部,巖性由紅色、暗紫紅色泥質砂巖、砂質泥巖組成,表部孔隙度較小,易受風化,地下水交替作用緩慢。地下水經大氣降水補給后,在一定深度范圍內呈順坡或水平運動,以散流或泉的形式排泄于溪溝部位。淺層基巖裂隙水在水文地質單元內接受大氣降水補給,順地勢向溝谷徑流,由各短溝徑流至嚴家溝。

排泄方式主要包括河流排泄、人工開采、側向徑流等,以河流排泄為主。

1.3.4 地下水水化學特征

研究區內淺層地下水pH值變化范圍在6.74～8.6,地下水水化學類型主要以HCO3-Ca·Na和HCO3-Na·Ca型為主,溶解性總固體在0.37～1.13 g/L。

1.3.5 地下水流場及動態特征

1.3.5.1 地下水流場特征

研究區位于低山丘陵山間溝谷,地下水類型主要包括第四系孔隙水和基巖裂隙水,地下水徑流主要受地形地貌控制,流向與地形總體坡向基本一致,總體地下水流場方向自南東向北西,第四系孔隙水地下水埋深約為0.3～1.7 m,基巖裂隙含水層地下水水位平均埋深3～7 m,滲透系數K為0.045 3 m/d,彌散系數2.75×10-4cm2/s。

1.3.5.2 動態特征

本次研究區地下水動態與灌溉、地表水、降雨有密切聯系。主要受前述補給、徑流和排泄條件的控制,在不同地貌部位,不同巖性結構地段,地下水動態變化的主導因素亦有不同。地下水交替作用強烈,地下水水位埋藏較淺,其動態變化受季節、降雨的控制明顯,水位年變幅在1.2～2.7 m,地下水近似垂直河流運動,水力坡度0.14。

1.3.6 水文地質試驗

1.3.6.1 注水試驗

現場通過4組鉆孔注水試驗,求取了區內覆蓋層和砂質泥巖的滲透系數,滲透系數統計表如表1所示。

表1 鉆孔注水試驗計算滲透系數統計表

鉆孔注水試驗測得第四系粉土滲透系數K為0.109～ 0.172 m/d,平均0.142 m/d,厚度一般0.5～2 m,包氣帶防污性能一般,該地層的滲透系數建議值為0.15 m/d。

1.3.6.2 壓水試驗

鉆進過程中壓水試驗隨鉆孔深度自上而下用單栓塞分段隔離進行,由于試驗段深度一般小于20 m,壓力表最大壓力P3取0.3 MPa,本次試驗每段長度小于5 m,求取了區內下伏巖層的滲透系數,滲透系數統計表見表2。

表2 壓水試驗成果統計表

根據本次壓(注)水試驗和類比相似場地,砂質泥巖的滲透系數建議值為0.016 m/d。

1.3.6.3 抽水試驗

本次研究在監測井鉆孔中進行的抽水試驗均為單孔穩定流抽水試驗。由于研究區淺層含水層富水性較差,單井出水量小,因此,使用1.5 m3/h的水泵,采用1次降深進行穩定流抽水試驗,抽水穩定時間按規范要求穩定24 h,水位、水量同步進行觀測,并根據試驗結果進行了穩定流水文地質參數計算,確定了試驗區含水層的水文地質參數K值。潛水層抽水試驗成果統計表見表3。潛水非完整井:

表3 潛水層抽水試驗成果統計表

式中:K—含水層滲透系數(m/d);R—影響半徑(m);S—抽水孔降深值(m);Q—抽水井涌水量(m3/d);H—潛水含水層厚度(m);l—有效進水長度(m);rw—抽水孔半徑(m)。

1.4 地下水環境現狀

本次地下水環境現狀調查共設置地下水水質監測點位3個,地下水水位監測點位8個。

地下水監測指標主要包括:pH值、總硬度、溶解性總固體、揮發性酚類、耗氧量、氨氮、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽(以N計)、亞硝酸鹽(以N計)、汞、鎘、鐵、砷、銅、鋅、錳等共計16項。

監測結果顯示研究區內1#地下水監測井和2#地下水監測井所測指標中,揮發性酚類、耗氧量均出現超標情況,以揮發性酚類最為嚴重,最大超標倍數為9.6;3#地下水監測井所測指標中氯化物、氨氮、揮發酚、耗氧量、溶解性總固體等指標均出現超標現象,揮發性酚類的最大超標倍數為18.75。

2 地下水環境影響預測

目前垃圾填埋場已簡易封場,項目在后期運行過程中出現非正常情況時,滲濾液收集池污水會下滲流入含水層。垃圾填埋場所在區域水文地質單元界線明顯,垃圾填埋場東側、南側及西側以地下水分水嶺為界,北側以嚴家溝河流為界,地下水環境影響評價范圍約0.11 km2。

2.1 解析法預測模型

2.1.1 模型選擇

地下水預測分析主要進行飽和帶污染物遷移預測,本次垃圾填埋場地處紅層丘陵區,地下水沿軸向西北徑流至嚴家溝河水系,而溶質隨地下水流進行運動。滲濾液收集池發生滲漏的情形下,可視為平面連續點源的一維穩定流動二維水動力彌散[5]。本次滲濾液收集池廢水滲漏對區域地下水預測的模型,視地下水平行方向流動為x軸的正方向,則垃圾填埋場滲濾液收集池周邊地下水污染物濃度分布模型如下:

2.1.2 水文地質條件的概化

根據研究區水文地質情況和解析模型的適用條件,本次將該模型的水文地質條件概化為:含水層厚度均一,水平方向為均質各向同性,含水層水平均勻展布,向四周無限延伸。

2.1.3 污染源概化

根據污染源的排放形式和排放規律可以將其概化為連續恒定排放的點源污染源。在預測評價中考慮最不利的工程狀況,含水層的各項水文地質參數選取較不利的情況,不考慮包氣帶的截留,以便于對垃圾填埋場滲濾液收集池滲漏的污染做出最大化的評估預測。

2.2 模型參數選取

1)含水層平均有效孔隙度n:研究區地下水含水層主要為白堊系下統蒼溪組砂巖、砂泥巖組,巖性為灰～青灰砂巖、紫紅色砂質泥巖,考慮含水層巖性特征,本次綜合有效孔隙度約0.12。

2)滲透系數K:根據對研究區內典型鉆孔進行的水文地質抽水試驗數據,本文取K=0.045 m/d。

3)地下水流速u:滲透系數取0.045 m/d,水力坡度約0.14,根據地下水流速V=KI,則水流速度實際流速u=v/ne=0.05 m/d。

4)彌散系數取DL=0.32 m2/d,橫向y方向的彌散系數DT,根據經驗一般DT/DL=0.1,因此DT=0.03 m2/d。

解析法地下水預測所需參數見表4。

表4 解析法地下水預測所需參數

2.3 預測結果

2.3.1 CODMn

CODMn隨時間變化的濃度分布如圖1所示。

圖1 泄漏后CODMn污染物濃度分布圖

事故狀態下滲濾液收集池內污水發生下滲時,CODMn隨地下水流擴散運移,CODMn在下滲遷移100 d時,最遠超標距離32 m,超標面積范圍達到475 m2; CODMn在下滲遷移365 d時最遠超標距離63 m(已經運移至嚴家溝河排泄點),超標面積范圍達到1 525 m2;CODMn在下滲遷移1 000 d時最遠超標距離63 m,超標面積范圍達到1 835 m2。

2.3.2 氨氮

氨氮隨時間變化的濃度分布如圖2所示。

事故狀態下滲濾液收集池內污水發生下滲時,氨氮隨地下水流擴散運移,氨氮在下滲遷移100 d時,最遠超標距離42 m,超標面積范圍達到775 m2;氨氮在下滲遷移365 d時最遠超標距離63 m(已經運移至嚴家溝河排泄點),超標面積范圍達到1 690 m2;氨氮在下滲遷移1 000 d時最遠超標距離63 m,超標面積范圍達到2 395 m2。

3 結語

基于解析法建立的垃圾填埋場滲濾液收集池地下水環境影響預測模型,并合理選取預測模型參數,對其非正常工況下的地下水環境進行了預測。結果表明,CODMn、氨氮在發生滲漏后呈先增大后減小的趨勢,一旦發生滲濾液滲漏,一年之內其超標范圍將運移至填埋場外嚴家溝處。為防治垃圾填埋場發生滲漏事故,造成地下水環境污染,主管部門應從源頭對污染源進行控制,并在地下水流向上下游布設地下水監測井進行監控。